KR20090002214A - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시 예는 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 발광소자는 제 1도전성 반도체층; 상기 제 1도전성 반도체층 위에 양자 우물층 및 양자 장벽층, 그리고 상기 양자 장벽층 보다 밴드 갭이 큰 전자 장벽층이 형성되는 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 반도체층을 포함한다.
질화물, 반도체, 발광소자, 전자 장벽층
Description
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자의 단면도.
도 2는 도 1의 활성층의 에너지 밴드를 나타낸 도면.
도 3은 도 2의 활성층의 제 1변형 예를 나타낸 도면.
도 4는 도 2의 활성층의 제 2변형 예를 나타낸 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
100 : 반도체 발광소자 110 : 기판
120 : 언도프드 반도체층 130 : 제 1도전성 반도체층
140 : 제 1도전성 클래드층 150 : 활성층
151 : 하부 활성층 156 : 상부 활성층
155 : 전자 장벽층 160 : 제 2도전성 클래드층
170 : 제 2도전성 반도체층
본 발명의 실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 발광소자는 자외선, 청색 및 녹색 영역을 포괄하는 발광 영역을 가진다. 특히, GaN계 질화물 반도체 발광소자는 그 응용 분야에 있어서 청색/녹색 LED의 광소자 및 MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor), HEMT (Hetero junction Field - Effect Transistors) 등의 고속 스위칭 소자, 고출력 소자에 응용되고 있다.
이러한 반도체 발광소자는 n형 반도체층과 p형 반도체층 사이에 InGaN 우물층 및 GaN 장벽층이 적층된 양자 우물 구조를 구비하고, 상기 n형 반도체층 위에 n형 전극 및 p형 반도체층 위에 p형 전극이 형성된다.
상기 반도체 발광소자는 p형 전극 및 n형 전극에 순 방향 전압을 인가하면, n형 반도체층의 전도대에 있는 전자가 p형 반도체층의 가전자대에 있는 정공과 재 결합(recombination)을 위해 천이되면서 그 에너지 만큼 활성층에서 빛으로 발광된다.
이러한 구조를 갖는 반도체 발광소자에 DC 전원을 인가하여 구동할 경우, 정공의 이동도에 비해 전자의 이동도가 훨씬 빠르기 때문에 n형 반도체층에서 나온 전자가 대부분 p형 반도체층 가까이에 치우쳐서 분포하게 된다. 이로 인하여 발광 효율이 떨어지는 문제가 있다. 특히 3족 질화물(주로 GaN과 관련된 화합물) 반도체에서 정공의 이동도가 떨어지는 것으로 알려져 있다.
본 발명의 실시 예는 활성층에서의 전자와 정공의 분포가 균일하게 할 수 있도록 한 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예는 다중 양자우물 구조의 활성층에 전자 장벽층을 제공하여, 활성층내에서의 전자와 정공의 방사 재결합 확률을 증가시켜 줄 수 있도록 한 반도체 발광소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자는, 제 1도전성 반도체층; 상기 제 1도전성 반도체층 위에 양자 우물층 및 양자 장벽층, 그리고 상기 양자 장벽층 보다 밴드 갭이 큰 전자 장벽층이 형성되는 활성층; 상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 반도체층을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조방법은, 제 1도전성 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제 1도전성 반도체층 위에 양자 우물층 및 양자 장벽층을 갖고, 상기 양자 장벽층의 밴드 갭 보다 큰 전자 장벽층을 상기 양자 우물층 사이에 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 제 2도전성 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 도면이며, 도 2는 도 1의 활성층의 에너지 밴드를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 발광소자(100)는 기판(110), 언도프드 반도체층(120), 제 1도전성 반도체층(130), 제 1도전성 클래드층(cladding layer)(140), 활성층(150), 제 2도전성 클래드층(160), 제 2도전성 반도체층(170)을 포함한다.
상기 기판(10)은 사파이어 기판, SiC, Si, 그리고 GaAs 등으로 이루어진 기판 중에서 선택될 수 있으며, 소자 생성 후 제거될 수도 있다.
상기 기판(110) 위에는 버퍼층(미도시) 또는/및 언도프드(undoped) 반도체층(120)이 형성될 수 있으며, 상기 버퍼층(미도시)은 상기 기판(10)과의 격자 상수 차이를 줄여주기 위한 층으로서, GaN 버퍼층, AlN 버퍼층, AlGaN 버퍼층, InGaN 버퍼층 등이 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 언도프드 반도체층은 undoped GaN층으로 구현될 수 있다. 이러한 버퍼층 및 언드포드 반도체층(120)은 선택적으로 제거될 수도 있다.
상기 언도프드 반도체층(120) 위에는 제 1도전성 반도체층(130)이 형성된다. 상기 제 1도전성 반도체층(130)은 n형 반도체층으로 구현될 수 있는 데, 상기 n형 반도체층은 GaN, AlGaN, InGaN 등 중에서 선택될 수 있으며, n형 도펀트(예: Si, Ge, Sn 등)가 도핑된다.
상기 제 1도전성 반도체층(130) 위에는 제 1도전성 클래드층(140)이 형성된다. 상기 제 1도전성 클래드층(140)은 n형 반도체층으로 구현될 수 있는 데, 상기 n형 반도체층은 AlGaN층이 될 수 있고, n형 도펀트가 도핑된다.
상기 제 1도전성 클래드층(140) 위에는 활성층(150)이 형성된다. 상기 활성층(150)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 다중 양자우물 구조로 형성되며, 적어도 InGaN으로 이루어진 양자 우물층(152,157)과 AlGaN 또는 GaN으로 이루어진 양자 장벽층(153,158)이 교대로 형성된다. 상기 활성층(150)은 제 1도전성 클래드 층(140) 위에 양자 우물층(152) 또는 양자 장벽층(153)부터 시작할 수 있다. 또한 양자 우물층 및 양자 장벽층의 주기는 2~10 주기로 형성될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다. 또한 양자 장벽층의 개수가 적어도 양자 우물층의 개수보다 많은 개수로 형성될 수 있다.
이러한 활성층(150)은 예컨대, 소정의 성장 온도(예: 700 ~ 950℃) 하에서 H2, N2를 캐리어 가스로 사용하여 NH3, TMGa(TEGa), TMIn, TMAl를 소스로 공급하여, InGaN으로 이루어진 양자 우물층(152,157), GaN 또는 AlGaN으로 이루어진 양자 장벽층(153,158)을 형성할 수 있다.
이때, 각 양자 우물층(152,157)의 두께는 15~30Å이고, 각 양자 장벽층(153,158)의 두께는 50~300Å으로 형성될 수 있다.
여기서, 활성층(150)에는 적어도 하나의 양자 우물층(152) 및 양자 장벽층(153)을 갖는 하부 활성층(151)과, 적어도 하나의 양자 우물층(157) 및 양자 장벽층(158)을 갖는 상부 활성층(156) 사이에 전자 장벽층(155)이 형성된다. 여기서 전자 장벽층(155)은 하부 활성층(151)의 마지막 양자 우물층(152)이 형성된 다음 형성되며, 상기 전자 장벽층(155)이 형성된 다음 상부 활성층(156)의 양자 우물층(157)이 형성된다.
상기 전자 장벽층(155)은 소정의 성장 온도(700~1000℃) 하에서 성장되며, H2를 캐리어 가스로 사용하여 NH3, TMGa(TEGa), TMIn, TMAl를 소스로 공급하여, AlxInyGa1-x-yN 전자 장벽층을 형성할 수 있다. 여기서 0<x≤1, 0≤y<0.5, x+y <1이 다.
상기 전자 장벽층(155)은 활성층(150)의 중앙 부근(Ac)부터 제 1도전성 클래드층(140) 사이, 양자 우물층(152,157) 사이에 150~300Å의 두께로 형성된다. 또한 전자 장벽층(155)의 밴드 갭(band gap)은 양자 장벽층(153,158)의 밴드 갭 보다 1.5 ~ 2배 정도 높게 형성될 수 있는 데, 예컨대 양자 장벽층(153,158)의 밴드 갭이 3.4V인 경우 전자 장벽층(155)의 밴드 갭은 예컨대 6V로 형성될 수 있다.
상기 활성층(150) 위에는 제 2도전성 클래드층(160)이 형성되며, 상기 제 2도전성 클래드층(160) 위에는 제 2도전성 반도체층(170)이 형성된다. 상기 제 2도전성 클래드층(160)은 p형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 예컨대 p형 AlGaN으로 구현된다. 상기 제 2도전성 반도체층(170)은 p형 반도체층으로 구현될 수 있는 데, 상기 p형 반도체층은 GaN, AlGaN, InGaN 등 중에서 선택될 수 있으며, p형 도펀트(예: Mg)가 도핑된다. 본 발명의 실시 예에서는 n형 또는 p형 도전성 반도체층과, 제 1 또는 제 2도전성 클래층(140,160) 중 어느 하나에 n형 또는 p형 전극 접촉층으로 구현할 수 있으며, 상기의 클래드층(140,160)이 제거될 수도 있다.
상기 제 1 및 제 2도전성 클래드층(140,160)은 상기 활성층(150)의 양자 장벽층(153,158)보다 큰 밴드갭을 갖고 있다.
이러한 반도체 발광소자(100)는 활성층(150) 내부에 두꺼운 전자 장벽층(155)에 의해 하부 활성층(151)에 일부 전자가 구속되는 효과가 있다. 이에 따라 활성층(150) 내의 전자 및 정공의 분포로 인해 활성 영역에서의 전자 및 정공의 방사 재결합의 확률을 개선시켜 주는 데, 특히 하부 활성층(151)에서의 전자 및 정공 의 방사 재결합의 확률이 증가된다. 이러한 전자 장벽층(155)은 활성층의 중간 부근(Ac) 또는 상기 중간 부근에서 n형 반도체층에 가까운 위치에 형성될 수 있다.
도 3은 도 2의 활성층의 제 1변형 예를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 활성층(150) 내의 전자 장벽층(155)은 제 1전자 장벽층(155a) 위에 제 2전자 장벽층(155b)이 형성되는 구조로서, 2~3개의 전자 장벽층이 형성될 수 있다.
상기 제 1전자 장벽층(155a)은 AlxInyGa1 -x- yN 전자 장벽층으로 형성되고, 제 2전자 장벽층(155b)는 AlxGa1 - xN 전자 장벽층으로 형성될 수 있어, AlxInyGa1 -x-yN/AlxGa1-xN로 구현된다. 여기서 0<x≤1, 0≤y<0.5, x+y <1이다. 상기 제 1전자 장벽층(155a)는 제 2전자 장벽층(155b)의 두께와 같거나 다를 수도 있다.
도 4는 도 2의 활성층의 제 2변형 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 활성층(150) 내의 전자 장벽층(150c)이 활성층 기준으로 제 1도전성 클래드층(140) 또는 제 1도전성 반도체층에 더 가깝게 형성될 수 있다. 즉, 전자 장벽층(150c)은 n형 반도체층에 더 가깝게 형성될 수 있다. 이에 따라 하부 활성층(151)이 상부 활성층(156)의 두께보다 작을 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에서는 다중 양자우물 구조의 활성층 중간 또는 중간 하부에 전자 장벽층을 형성해 줌으로써, 활성층 내에서의 전자 이동 속도를 늦추어 줄 수 있다. 이에 따라 활성층에서의 전자와 정공의 분포가 균일하게 하여, 전자와 정공의 재 결합 확률을 증가시키고 광 생성 효율을 향상시켜 줄 수 있다.
본 발명의 실시 예는 제 1도전성 반도체층, 활성층, 제 2도전성 반도체층, 그리고 제 2도전성 반도체층 위에 제 3도전성 반도체층을 형성하여, npn 또는 pnp 구조를 제공할 수 있으며, 수평형 또는 수직형 전극 구조를 갖는 반도체 발광소자에 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.
예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 의한 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 활성층 내부에 전자 장벽층을 형성하여, 활성층 내의 전자 및 정공의 분포 프로파일을 변경시켜 줌으로써, 전자 및 정공에 의한 방사 재결합 확률을 증가시켜 줄 수 있다.
또한 전자의 구속 효과에 의해 하부 활성층에서의 광 생성 효율이 증가하게 되고, 상부 활성층에서의 과잉 전자 누설 전류를 방지할 수 있다.
또한 반도체 발광소자의 광 효율 및 칩의 성능을 개선시켜 줄 수 있다.
Claims (21)
- 제 1도전성 반도체층;상기 제 1도전성 반도체층 위에 양자 우물층 및 양자 장벽층, 그리고 상기 양자 장벽층 보다 밴드 갭이 큰 전자 장벽층이 형성되는 활성층;상기 활성층 위에 형성된 제 2도전성 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서,상기 활성층은 상기 제 1도전성 반도체층 위에 적어도 하나의 양자 우물층 및 양자 장벽층을 각각 구비한 하부 활성층 및 상부 활성층을 포함하며,상기 전자 장벽층은 상기 하부 활성층 및 상부 활성층 사이에 형성되는 반도체 발광소자.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 전자 장벽층은 활성층의 중간 부근을 기준으로 제 1도전성 반도체층에 가깝게 형성되는 반도체 발광소자.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 전자 장벽층은 적어도 한 위치에 1 ~ 3개가 형성되는 반도체 발광소자.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 전자 장벽층은 알루미늄(Al) 및 인듐(In) 중에서 적어도 하나를 포함하는 질화물 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 전자 장벽층은 AlxInyGa1 -x-yN(0<x≤1, 0≤y<0.5, x+y <1)으로 이루어진 반도체 발광소자.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 전자 장벽층은 복수개가 AlxInyGa1 -x- yN 및 AlxGa1 -xN(0<x≤1, 0≤y<0.5, x+y <1)의 주기로 형성되는 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서,상기 전자 장벽층의 밴드 갭은 양자 장벽층의 밴드 갭 보다 1.5 ~ 2배인 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서,상기 전자 장벽층은 150~300Å의 두께로 형성되는 반도체 발광소자.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 제 1도전성 반도체층은 n형 반도체층이며,상기 제 2도전성 반도체층은 p형 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자.
- 제 10항에 있어서,상기 n형 반도체층과 활성층 사이에 형성된 n형 클래드층 및,상기 p형 반도체층과 활성층 사이에 형성된 p형 클래드층을 포함하는 반도체 발광소자.
- 제 1도전성 반도체층을 형성하는 단계;상기 제 1도전성 반도체층 위에 양자 우물층 및 양자 장벽층을 갖고, 상기 양자 장벽층의 밴드 갭 보다 큰 전자 장벽층을 상기 양자 우물층 사이에 형성하는 단계;상기 활성층 위에 제 2도전성 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항에 있어서,상기 활성층은 적어도 하나의 양자 우물층 및 양자 장벽층을 갖는 하부 활성층을 형성하는 단계; 상기 하부 활성층의 마지막 양자 우물층의 위에 전자 장벽층을 형성하는 단계; 상기 전자 장벽층 위에 적어도 하나의 양자 우물층 및 양자 장 벽층을 갖는 상부 활성층을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항 또는 제 13항에 있어서,상기 전자 장벽층은 활성층의 중간 부근에서 제 1도전성 반도체층 사이에 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항 또는 제 13항에 있어서,상기 전자 장벽층은 적어도 한 위치에 1 ~ 3개가 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항 또는 제 13항에 있어서,상기 전자 장벽층은 알루미늄(Al) 및 인듐(In) 중에서 적어도 하나를 포함하는 질화물 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항 또는 제 13항에 있어서,상기 전자 장벽층은 AlxInyGa1 -x-yN(0<x≤1, 0≤y<0.5, x+y <1)으로 이루어진 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항 또는 제 13항에 있어서,상기 전자 장벽층은 복수개가 AlxInyGa1 -x- yN 및 AlxGa1 -xN(0<x≤1, 0≤y<0.5, x+y <1)의 주기로 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항 또는 제 13항에 있어서,상기 전자 장벽층의 밴드 갭은 양자 장벽층의 밴드 갭 보다 1.5 ~ 2배인 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 12항 또는 제 13항에 있어서,상기 제 1도전성 반도체층은 n형 반도체층이며,상기 제 2도전성 반도체층은 p형 반도체층을 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 20항에 있어서,상기 n형 반도체층과 활성층 사이에 n형 클래드층을 형성하고,상기 p형 반도체층과 활성층 사이에 p형 클래드층을 형성하는 반도체 발광소자 제조방법.
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